无机化学教学中绿色化学教育

无机化学教学中绿色化学教育

　　无机化学教学中绿色化学教育【1】

　　摘要：介绍了绿色化学的内涵，阐明了在无机化学教学中实施绿色化学的重要意义，探讨了在教学中实施绿色化学教育的措施。

　　关键词：无机化学教学;绿色化学;教育

　　随着经济的发展，传统的化学工业给环境带来了严重的污染和破坏，环境问题已成为世界各国无法回避的共同问题。

　　人们认识到光靠治理污染已经无法从根本上保护环境，要保护环境就必须从源头消除污染。

　　二十世纪九十年代，在可持续发展方针的指导下，形成了绿色化学的概念。

　　绿色化学是用化学的技术和方法去减少或消除有害物质的产生和使用，但它不是一般的控制污染，而是从根本上消灭污染，它不再使用有毒有害的物质，不再产生废物，是一门从源头上防止污染的化学[1]。

　　此后，人们赋予这一新事物不同的取名：环境无害化学、环境友好化学、清洁化学等。

　　一、绿色化学的内涵

　　绿色化学不同于环境化学，环境化学是一门研究污染物的分布、存在形式、迁移及其对环境影响的科学。

　　绿色化学的最大特点是在始端就采用预防污染的科学手段,因而过程和终端均为零排放或零污染。

　　绿色化学的核心内容是“原子经济性”，即充分利用反应物中的各个原子，因而既能充分利用资源,又能防止污染。

　　绿色化学的特点是：(一)采用无毒、无害的原料;(二)在无毒、无害的反应条件(催化剂、溶剂)下进行;(三)减量、循环、重复使用;(四)具有“原子经济性”，即反应具有高选择性，极少副产品，甚至实现零排放;(五)产品应是对环境友好的;(六)满足价廉物美的传统标准[2]。

　　目前世界上许多国家已把“化学的绿色化”作为新世纪化学发展的主要方向之一。

　　二、无机化学教学中绿色化学教育

　　(一)无机化学理论教学中的绿色化学教育

　　在进行理论课教学时，要充分挖掘教材中涉及有关绿色化学的内容，进行及时的、适当的知识加深与更新以及思维的拓展。

　　例如在介绍H2O2的制备时，目前的方法是乙基蒽醌法[3]。

　　以H2和O2为原料，乙基蒽醌和钯作为催化剂，苯作为溶剂。

　　乙基蒽醌在钯存在时可被H2还原为乙基蒽醇，而乙基蒽醇易被O2氧化成乙基蒽醌和H2O2。

　　生成的乙基蒽醌循环使用。

　　反应过程中消耗的是H2和O2，生成的是H2O2。

　　由此为切入点，可引入绿色化学的核心内容之一，即原料的重复使用，并体现了绿色化学的最大特点：在过程和终端均为零排放或零污染。

　　较之传统的制备方法，这是一个典型的绿色化学方法。

　　又如制备NaClO3，学生常会提出以Cl2和NaOH反应来制取，反应如下：

　　3Cl2+6NaOH(热)5NaCl+NaClO3+3H2O

　　从反应式可看出，原料中有5/6的氯生成了NaCl，未被利用，从而引出绿色化学原理的核心内容之二，反应的“原子经济性”。

　　它的目标是在设计化学反应时使原料分子中的原子更多或全部变成最终希望的产品中的原子，使原子利用率尽可能高，最大限度地实现零排放。

　　据此引导学生采用电解热的NaCl溶液，制备NaClO3，反应如下：

　　2NaCl+2H2O2NaOH+H2+Cl2

　　Cl2+2NaOHNaCl+NaClO+H2O

　　3NaClO2NaCl+NaClO3

　　生成的NaCl可循环使用。

　　其实在无机化学教材中，可以挖掘的内容很多，只要是一个有心人，会发现教材中处处可见绿色化学。

　　例如，讲到氢时，介绍氢能源的利用;讲到氧化还原反应一章时，可讲一讲干电池的污染、氢燃料电池的利用;在配合物的应用部分可介绍无氰电镀等绿色工艺。

　　讲到卤素一章时，增加“氯气用于自来水消毒的利弊、新型消毒剂ClO2、毒气与军事、氟污染与人身心健康、氟利昂对臭氧层的破坏与保护、开发利用氟氯烃清洁替代品”等教学内容。

　　讲到氧族、氮族元素时，组织“酸雨的危害与防治、水体大气污染与防治、臭氧层空洞、水体富营养化、光化学烟雾、汽车尾气与大气污染”等这些教学内容，不仅渗入了绿色化学的理念，而且也使课堂内容更加生动充实。

　　实践证明，在课堂上适时或适当地把绿色化学的思想和知识融入到无机化学的教学中，所用的教学时间多则7-8min,少则2-3min,在一节课教学中占时不多而又画龙点睛。

　　这种方式的教学，可使学生在潜移默化中受到绿色化学教育，使他们意识到绿色化学对于人类及其所赖以生存环境的可持续发展所具有的重要性。

　　同时又不对原本紧张的教学时间安排造成新的冲击，还可使教学内容显得丰富生动，增强学生对学习这门课程的兴趣。

　　(二)无机化学实验教学中的绿色化学教育

　　1、整合、精选实验内容

　　无机化学实验是为大一新生开设的实验课程，作为基础化学实验，开设的内容较多。

　　其中有些实验与后续的实验课内容互相重叠，互相交叉，造成实验内容的重复，课程安排缺乏全局性、整体性。

　　造成化学试剂的用量和实验室“三废”的排放量变大。

　　特别是近几年，随着招生规模的不断扩大，学生人数不断增多，药品的消耗和产生的废物更多，因此，首先要对实验内容进行整合。

　　例如，溶液的配制、酸碱滴定、天平的使用这些实验无机化学实验中有，分析化学实验中也出现，就可以进行实验内容上的调整、筛选和重组;玻璃加工实验也同时出现在无机和有机实验中，也可进行整合，避免重复。

　　在实验项目的安排上不仅满足培养学生实验技能的需要，同时也要体现绿色化学的教育的思想。

　　教师要根据教学需求，本着将毒害降低至最小的宗旨，合理选择实验内容，对实验方案进行优化。

　　在实验内容上，尽量根据低能耗、低毒原则进行筛选。

　　2、开展封闭式实验[4]

　　对于有毒有害气体的实验，传统的方法是在通风橱内进行，这样只能避免对小环境的污染，有毒有害气体还是排放到空气中，造成对大环境的污染。

　　为了避免这种情况，可将反应装置设计成封闭式，使反应在封闭状态下进行，并能在系统内部将反应产生的有毒气体吸收掉，实现零排放。

　　例如，卤素实验中,既要制备氯气、氯酸钾、次氯酸钾，又要进行氯气的一系列性质实验。

　　可将从气体发生装置出来的气体，导入收集装置，再依次通过装有NaOH的两个具支试管，这两个具支试管分别放在装有热水和冷水的烧杯中，实现次氯酸钾、氯酸钾的制备，最后气体再转移到点滴板，点滴板中依次加入品红溶液、蒸馏水、KBr溶液、KI-淀粉溶液、NaOH溶液。

　　将气体的产生，收集、性质和尾气吸收实验串联在一起，气体不易泄露，大大减少了对环境的污染。

　　3、进行微型化学实验

　　目前，越来越多的学校将微型化引入到实验教学中来，微型化学实验是着眼于环境安全和污染预防的需要,用尽可能少的药品，在微型化的仪器装置中进行的化学实验[5]。

　　微型化学实验具有节省试剂、减少污染、缩短实验时间、安全、节约经费、便于携带等优点。

　　我们也进行了这方面的尝试，并作了实验上的一些改进。

　　例如，元素性质实验,所用药品种类多，份量大，在不影响实验效果的前提下，尽可能降低试剂浓度，尽量改用点滴板替代试管做实验，或在滤纸上进行有色反应的实验，使药品用量大大减少。

　　又例如，上面提到的卤素的实验，氯气的制备就采用微型化的注射器和具支试管。

　　具支试管(5ml)装入KMnO4，注射器(5ml)中吸有浓HCl，这就是气体的发生装置。

　　SO2的制备也是用这样的装置，并与点滴板联合，进行性质实验，最后用碱液吸收多余的气体。

　　这样药品用量很少，又不影响实验现象的观察，缩短了实验时间，改善了实验环境，降低了废气和废液的排放量，大大减少了对环境的污染。

　　三、结语

　　绿色化学是在环境与发展矛盾日益突出的形势下，应运而生的一门新兴学科，但它不是一门独立的学科，它是在传统化学基础上发展起来的更高层次的化学。

　　作为高校化学教师，要树立可持续发展的观念，应把传授绿色化学知识作为自己义不容辞的责任，用实际生动的范例充实我们的教学内容，按照范例所涉及的知识点，将绿色化学知识自然、生动地渗透到化学教学中。

　　培养学生的环保意识和可持续发展意识，使绿色化学的理念扎根于学生的头脑中，贯穿于他们以后的工作中。

　　实践证明，将绿色化学渗透到无机化学教学中的做法是可行的。

　　通过绿色化学教育在无机化学教学中的渗透，学生反映他们的知识面扩展了，学习无机化学的兴趣提高了，更重要的是，他们了解了绿色化学，接受了绿色化学。

　　因此，这种有效的做法值得我们去进一步完善和推广，为推动我国的绿色化学教育事业的发展，为保护我们的家园，作出应有的贡献。

　　参考文献：

　　[1]Anastas P T,Williamson T C.Green chemistry – designingchemistry for the environment[M].ACS Symoposium Series 626th,Washington D C:American Chemical Society,1996.

　　[2]苏惠,徐翠莲.基础化学实验绿色化的探索[J].河南教育学院学报(自然科学版),2006,15(3):65-66.

　　[3]天津大学无机化学教研室.无机化学[M].北京:高等教育出版社,2002:330.

　　[4]颜芸.浅谈以绿色化学新理念指导基础化学实验教学[J].广东化工,2008,(1):110.

　　[5]Singh M M.Szafran Z,Pike R M.J.Chem.Educ.1999,76(12):1684-1686.

　　无机化学实验教学中绿色环保模式【2】

　　摘 要：无机化学实验是师范院校化学专业学生入学后接触的第一门实验课程，对于培养学生的动手能力和环保意识具有至关重要的作用，然而现在无机化学实验的现状却不容乐观。

　　实验室污染不但严重威胁着师生的身体健康，也造成了周围环境的污染，因此在无机化学实验教学改革中推行绿色环保模式就显得尤为重要。

　　本文提出在向学生灌输环保意识的同时，通过改革实验内容，使用低毒或无毒药品，采用微型实验、连续实验、计算机模拟实验以及改革实验考核方式等改革措施来预防和减少实验室污染。

　　关键词：无机化学实验;绿色环保模式;改革措施

　　无机化学实验是化学专业学生进入大学后接触的第一门实验课程，对于培养学生的动手能力、创新能力具有重要的作用。

　　近年来，随着招生规模的不断扩大，实验室造成的污染也逐渐加重，当前无机化学实验的主要目的在于锻炼学生的实验操作技能，而几乎忽略了环保意识的培养。

　　师范院校的大学生肩负着培养祖国下一代的伟大使命，因此在无机化学实验中推行绿色环保模式，使环保意识深入人心显得尤为重要。

　　1.努力提高学生的环保意识

　　当前中国作为最大的发展中国家，经济飞速发展的同时也造成了环境的严重污染。

　　高等师范院校化学专业毕业的大学生将来大部分是未来的中学化学老师。

　　在实验中给学生灌输环境保护的知识和理念，使他们认识到环境污染的危害性，学会正确处理实验中产生的“三废”污染，将会潜移默化地影响我们的下一代。

　　因而对于21世纪的青年大学生，改变传统思维方式，加强环保意识培养至关重要。[1]

　　2.跟随时代发展，改革实验内容

　　目前我们所用无机化学实验教材中的内容和形式过于陈旧，重复内容多，试剂消耗大，实验时间长，学生兴趣低，不利于发展学生的创新思维和提高学生的创新能力，也不利于绿色环保理念的渗透。

　　因此有必要合理调整实验内容，认真选择实验项目，淘汰一些对环境污染较大的实验项目，如硫化氢、氯气等的制备实验，毒性大的含汞试剂的性质实验，尽量选择低毒、污染小、价格相对便宜的试剂为原料的实验。

　　在锻炼学生综合实验技能的同时，节约大量实验药品和实验经费，最大限度地提高原料的利用率，减少污染源。

　　另外教材应紧跟时代发展步伐，可以涉及一些纳米材料合成的实验。

　　例如，以FeCl3为原料制备纳米氧化铁(Fe2O3)，再进行纳米材料与普通材料的对比，可以让学生深刻感受到纳米技术的好处，也激发了学生探索的精神。

　　另外还可以增加与生活相关的实验。

　　例如，可以做生物体中几种元素的定性鉴定实验。

　　3.要正确处理实验中的“三废”

　　对于H2S、HCl等酸性废气，常见的处理方法是用碱液吸收，而NH3等碱性气体用稀酸吸收，可以用点燃大量CO气体转化为无毒的CO2再排放。

　　在密闭体系内做有毒气体实验时，在通风橱气体出口处加装多孔性固体吸附剂，将有害物质吸附处理后再排放到大气中。[2]

　　此外，我们还可以在实验室种植一些吊兰、虎皮兰、芦荟等能净化空气的绿色植物。

　　无机实验中的废渣主要是一些制备实验的产物，应该集中在一起尽量回收利用，或者统一深埋处理。

　　如，碱式碳酸铜可进一步进行热分解反应和制备其他铜盐。[3]

　　无机实验室中产生的“三废”污染最主要是废液。

　　要有效处理每次试验中产生的大量废液，我们可以在分类回收的基础上，做一个处理有毒废液的知识库，这样可以提醒学生在做完实验后还要做好后续工作。

　　例如，在做ds区金属实验时，镉、汞元素的废液都是有毒的，因此实验后废液应倒入回收瓶，再进行处理。

　　含汞盐废液应先调pH至8～10，然后先加过量的硫化钠，再加硫酸亚铁，这样就可以使汞沉淀下来，过滤分离。

　　[4]再如，我们在实验室常用的铬酸洗液失效后可以用高锰酸钾氧化法使其再生，重复使用。

　　4.使用药品要绿色化

　　在使用药品时，我们要遵守5R原则，即减量(reduction)、重复使用(reuse)、拒用(rejection)、回收(recycling)、再生(regeneration)。[5]

　　使用反应物时要尽量选择无毒或毒性小的试剂。

　　例如，可以用双氧水、臭氧代替氯气做漂白剂或氧化剂，硫代硫酸钠代替硫化氢气体做还原剂，用铜离子、锌离子、氢氧根离子和硫离子代替毒性较大的铅离子、银离子、铬酸根离子做沉淀剂，[6]在不影响实验效果的前提下，降低成本，减少污染物的排放。

　　萃取实验常用乙醚萃取乙酸水溶液中的乙酸，但是乙醚沸点低，易挥发燃烧，安全性低，且用乙醚做萃取剂，用量大，成本高，易污染环境。

　　若用水做萃取剂，从乙酸乙酯―乙酸混合液中萃取乙酸，实验效果也很好。

　　5.进行微型或半微型实验

　　微型实验是20世纪80年代起源于美国的一种国际上公认的可以体现绿色化学理念的化学实验的新方法新技术，其实际用量是常规的0.1%～10%。

　　[7]这样一来，与传统实验相比，消耗的药品减少了，节约了开支，节省了时间，减少了污染。

　　例如，在做Cu2+的鉴定实验时，传统实验为取一滴0.5 mol/L CuCl2溶液于试管中，加一滴6.0 mol/L HAc溶液酸化，再加一滴0.5 mol/L亚铁氰x钾溶液，实验结果为有棕红色沉淀产生，表示有Cu2+存在。

　　我们只需要将普通试管换为小试管(10 mm×75 mm)即可做微型实验：取一滴0.1 mol/L CuCl2溶液于小试管中，加一滴2.0 mol/L HAc溶液酸化，再加一滴0.1 mol/L亚铁氰x钾溶液，结果同样为产生明显的棕红色沉淀。

　　[8]通过比较我们可以发现，微型实验所需药品浓度降低很多，这样节省了药品，减少了污染，而且不影响实验结果。

　　但由于所用的试剂很少，实验中很小的误差便会给实验结果带来较大影响，尤其是大一新生，基本操作还不熟练，所以实验时必须加强指导、认真仔细检查，尽量减小误差。

　　6.采用连续实验的方法

　　这是指将实验顺序做一个调整，将同一元素的实验放在一起做，使前一反应的产物作为下一反应的反应物。

　　将原来的产物转化为反应物，不但减少了有毒物质的排放，还节约了时间和药品，实验的连贯性也增强了，有利于学生系统地掌握知识，构建知识框架。

　　例如，实验课本中将第一过渡系元素的性质实验放在了重铬酸钾的制备、高锰酸钾的制备、二氧化钛的制备、钴(Ⅲ)配合物的制备实验前面，我们可以调整实验顺序，将这些物质先制备出来再进行第一过渡系元素的性质实验，也可以在制备好一种物质时就直接做这种物质的性质实验。

　　[9]再如，在铜的氢氧化物实验中，可以将生成的氢氧化铜留着，接着做氧化亚铜的生成和性质实验。

　　7.采用全封闭的实验系统

　　现在我们做有关硫化氢、氮的氧化物、氯气等有毒气体实验时，对于废气通常都是未经收集处理便直接由通风橱排入大气中。

　　这虽然能减少对实验室的污染，但却给大气带来污染，危害周边居民的健康。

　　若我们采用全封闭系统，可以把这些有毒气体收集起来，进而转化为无毒气体，或者用试液吸收这些有毒气体。

　　例如，在注射器内进行铜与浓、稀硝酸的反应，将一氧化氮、二氧化氮收集在注射器内，再用氢氧化钠溶液吸收，这样就解决了有毒气体随意排放的问题。

　　再如，做Cl2、Br2、I2的氧化性及Cl-、Br-、I-的还原性试验时，由于氯气、溴蒸气对人体气管、肺部、眼、鼻、喉都有强烈的刺激作用，所以我们应在全封闭的体系内做实验，收集废气，然后用NaOH溶液吸收。

　　8.计算机模拟实验

　　在当今计算机水平如此发达的时代，化学实验中也可以充分利用这一技术来帮助我们学习。

　　这样一来，大大激发了学生的兴趣，尤其是对于元素性质验证实验。

　　元素实验所需药品种类繁多，产物种类多，废液废渣不易处理，再加上由于做实验人数多，时间长，有的药品由于放置时间过长而被污染或失效，从而使得实验现象并不明显。

　　但若借助计算机教学，学生通过声音、动画、文字等，达到身临其境的效果，这样学生会加深印象，更好地掌握知识点。

　　例如，在刚进实验室的第一节课，我们就可以利用多媒体教学来学习无机化学实验操作，使学生了解化学实验的规范操作和错误操作，以加深印象。

　　再如，在做ⅠA、ⅡA元素的焰色反应时，要求用到铂丝，但由于铂丝价格昂贵，难以实现。

　　但若用铁丝代替则影响实验效果，这时我们可以利用计算机模拟实验来观察LiCl、NaCl、KCl、CaCl2、SrCl2、BaCl2溶液在氧化焰中灼烧的火焰颜色，这样观察起来结果清晰、准确。

　　与传统教学相比较，实施计算机模拟实验，做到了零污染、零投入，对于那些毒性较大、易燃易爆、存在安全隐患的实验，无疑是一个很好的选择。

　　9.改良实验考核方法

　　合理处理“三废”是山西师范大学现在比较薄弱的一项工作，应该在每次实验时都强调这一点，多加强这方面的训练。

　　传统的考核制度并没有将学生对“三废”的处理情况列入其中，为了加强学生的环保意识，应将“三废”尤其是废液处理情况也作为考查内容之一，占到总成绩的10%。

　　这样无形之中学生便会自觉处理废气、废液、废渣，营造一个好的实验环境。

　　随着绿色化学概念日益深入人心，无机实验的绿色改革也迫在眉睫。

　　建设绿色化学实验室、加强学生的环保意识是一个漫长的过程，任重而道远，需要对规章制度的完善和对仪器设备的改进，需要加强对实验室工作人员的环境意识和绿色化观念的灌输，需要我们共同的努力。

　　参考文献：

　　[1]岳 明，龙云飞，唐凤碧.化学实验教学中学生环保意识的培养[J].矿业工程研究，2009，31(02)： 196―198.

　　[2]赵素瑞，高向红，袁冬梅.无机化学实验室危险废物减量化[J].化学通报，2011，74(02)：188―192.

　　[3]梁 敏，黄海儒，钟新仙，等.无机实验合成产物再利用促进实验室绿色化建设[J].实验室科学， 2012，15(06)：192―195.

　　[4]王 琴，李春新，韩庆荣.化学实验室废液处理方法的研究[J].甘肃石油和化工，2011(03)：7―12.

　　[5]刘艳菊，杨怀霞，王 霞.医药类专业无机化学实验绿色化学教学探索[J].学科教育，2010(10)：99.

　　[6]张燕明，张桂珍.在无机化学实验教学中渗透绿色化学教育[J].天津化工，2004，18(02)：60―61.

　　[7]吴茂英，肖楚民.微型无机化学实验(第二版)[M].北京：化学工业出版社，2012.

　　[8]北京师范大学无机化学教研室等编.无机化学实验(第三版)[M].北京：高等教育出版社，2001.

　　[9]徐常龙，曹小华，陶春元，等.通过绿色化学实验培养学生创新能力[J].化工高等教育，2009，26(03)：42―44.

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